基于局域網(wǎng)的可穿戴室內(nèi)定位系統(tǒng)研制
2019年06月05日 09:50         所屬學(xué)院: []          點(diǎn)擊:


大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目申請書

 

 

項(xiàng)目編號          s201910536034                     

項(xiàng)目名稱   

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項(xiàng)目負(fù)責(zé)人      廖振華      聯(lián)系電話  18573905840  

所在學(xué)院          物理與電子科學(xué)學(xué)院               

學(xué)        201755110215   專業(yè)班級    電科1702    

指導(dǎo)教師                  謝海情                   

E-mail             xiehq@csust.edu.cn             

申請日期                 20195月                

起止年月            20195-20215月         

長沙理工大學(xué)

 


     

 

1、本申請書所列各項(xiàng)內(nèi)容均須實(shí)事求是,認(rèn)真填寫,表達(dá)明確嚴(yán)謹(jǐn),簡明扼要

2、申請人可以是個(gè)人,也可為創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),首頁只填負(fù)責(zé)人。項(xiàng)目編號一欄不填。

3、本申請書為大16開本(A4),左側(cè)裝訂成冊??删W(wǎng)上下載、自行復(fù)印或加頁,但格式、內(nèi)容、大小均須與原件一致。

4、負(fù)責(zé)人所在學(xué)院認(rèn)真審核, 經(jīng)初評和答辯,簽署意見后,將申請書(一式兩份)報(bào)送××××大學(xué)項(xiàng)目管理辦公室。

 

一、 
基本情況

項(xiàng)目

名稱

基于局域網(wǎng)的可穿戴室內(nèi)定位系統(tǒng)研制

所屬

學(xué)科

學(xué)科一級門:

工學(xué)

學(xué)科二級類:

電子信息類

申請

金額

   2.0萬元

起止年月

2019 年05月至202105

負(fù)責(zé)人

姓名

廖振華

性別

民族

漢族

出生年月

199912

學(xué)號

201755110215

聯(lián)系

電話

宅:          手機(jī):18573905840

指導(dǎo)

教師

謝海情

聯(lián)系

電話

宅:          手機(jī):15367910903

負(fù)責(zé)人曾經(jīng)參與科研的情況

1、基于89C51,設(shè)計(jì)簡易頻率掃頻儀;

2、基于stm32,設(shè)計(jì)單5V電源高增益高帶寬程控放大器;

3、基于單片機(jī)控制的按壓發(fā)電智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì);

4、參加物電杯電子設(shè)計(jì)大賽、互聯(lián)網(wǎng)+等比賽,有較好的電子設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

主要研究方向?yàn)槲?/span>電子器件與系統(tǒng)集成、專用集成電路設(shè)計(jì)。

曾指導(dǎo)研究生參加湖南省研究生電子設(shè)計(jì)大賽榮獲三等獎(jiǎng),指導(dǎo)學(xué)生參加全國集成電路設(shè)計(jì)大賽榮獲三等獎(jiǎng),指導(dǎo)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng),已順利結(jié)題并分別獲得國家使用新型專利1項(xiàng)。先后主持國家自然科學(xué)基金1項(xiàng)(No. 61404011),湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目1項(xiàng)(No. 2015JJ3001),湖南省教育廳優(yōu)秀青年項(xiàng)目(No. 17B007),其他省部級項(xiàng)目2項(xiàng)。參與國家級和省部級科研項(xiàng)目多項(xiàng)。發(fā)表SCI、EI收錄論文20余篇,獲得國家發(fā)明專利1項(xiàng),出版學(xué)術(shù)專著1部。

指導(dǎo)教師對本項(xiàng)目的支持情況

1、指導(dǎo)項(xiàng)目組成員制定合理可行的研究計(jì)劃;

2、監(jiān)督項(xiàng)目組成員按計(jì)劃要求開展項(xiàng)目研究工作,并管理經(jīng)費(fèi)使用;

3、定期召開項(xiàng)目組論會,指導(dǎo)學(xué)生解決研究過程中遇到的問題。

項(xiàng)

姓   名

學(xué)號

專業(yè)班級

所在學(xué)院

項(xiàng)目中的分工

曾舸峰

201755110221

電子科學(xué)與技術(shù)

物理與電子科學(xué)學(xué)院

系統(tǒng)前端設(shè)計(jì)與測試

蔣璜

201755110204

電子科學(xué)與技術(shù)

物理與電子科學(xué)學(xué)院

無線局域網(wǎng)組網(wǎng)與數(shù)據(jù)處理

胡心穎

201755110209

電子科學(xué)與技術(shù)

物理與電子科學(xué)學(xué)院

 系統(tǒng)性能測試

周曉華

201756110304

電子信息科學(xué)與技術(shù)

物理與電子科學(xué)學(xué)院

測試環(huán)境搭建

二、 立項(xiàng)依據(jù)(可加頁)

(一) 項(xiàng)目簡介

隨著社會的進(jìn)步、人們生活水平的提高,定位技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人們的生活與工作中。GPS定位技術(shù),其性能穩(wěn)定、低成本、精度高等優(yōu)點(diǎn),已被人們廣泛使用。但在室內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境下,GPS信號弱,無法利用現(xiàn)有的GPS技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

本項(xiàng)目針對室內(nèi)小孩老人走失,室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)、地震時(shí)的緊急救援等突發(fā)情況,基于局域網(wǎng)技術(shù),研制一款價(jià)格適中較高的室內(nèi)定位系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)心率實(shí)時(shí)監(jiān)測功能,滿足室內(nèi)定位與導(dǎo)航,具有重要應(yīng)用價(jià)值。

(二) 研究目的

1、本項(xiàng)目通過采用MTK2503芯片設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備,完成位置信息和心率信息采集;采用ESP8266模塊設(shè)計(jì)AP熱點(diǎn)組建局域網(wǎng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸;綜合歷史尋跡(剔除奇異采集數(shù)據(jù))、局域劃分以及加權(quán)概率處理等算法,對指紋法進(jìn)行優(yōu)化,提高定位精度;通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)位置信息和心率信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控,并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能,最終完成整個(gè)可穿戴室內(nèi)定位系統(tǒng)研制。

2該定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下性能指標(biāo):(1)定位精度小于2米,心率實(shí)時(shí)測量誤差小于10%;(2)無線局域組網(wǎng)覆蓋范圍大于100米;(3)數(shù)據(jù)傳輸速度大于100kbit/s;數(shù)據(jù)傳輸誤碼率小于10-5并具有心率監(jiān)測與報(bào)警功能。

 

(三) 研究內(nèi)容

1、體系結(jié)構(gòu)研究

分析研究相關(guān)可穿戴監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題,在此基礎(chǔ)上,分別設(shè)計(jì)基于心率檢測類、室內(nèi)定位類兩應(yīng)用場景,提出一種基于傳感器技術(shù)、低功耗局域網(wǎng)技術(shù)、嵌入式軟件與系統(tǒng)、服務(wù)器技術(shù)的可穿戴室內(nèi)定位系統(tǒng)的總體架構(gòu)。將整個(gè)系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)采集前端、數(shù)據(jù)傳輸處理和終端數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控三部分,實(shí)現(xiàn)集數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析、匯總和反饋的室內(nèi)定位的全方位服務(wù)平臺。

2、基于位置信息與脈搏信號采集可穿戴設(shè)備研究

設(shè)計(jì)一款可穿戴設(shè)備,集成位置信息采集和光電透射脈搏信號采集功能。該設(shè)備主要分為光電傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、Wi-Fi/藍(lán)牙通信模塊和電源模塊四個(gè)部分。硬件主要進(jìn)行對脈搏傳感器、低功耗Wi-Fi/藍(lán)牙芯片選型和相關(guān)模塊的電路設(shè)計(jì)。軟件部分完成基于低功耗Wi-Fi/藍(lán)牙芯片的脈搏信號采集器固件設(shè)計(jì),完成脈搏信號的獲取、處理以及與用戶移動終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/span>

3、基于無線局域網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)研究

通過分析比較目前常用的幾種短距離無線傳輸技術(shù),采用無線局域組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建可穿戴數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)研究了無線電信號傳輸模型及其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),確保在信道干擾較大的情況下,仍然精確傳輸數(shù)據(jù);在有限頻帶時(shí),盡可能容納多的用戶數(shù)量。最后,基于Wi-Fi/藍(lán)牙芯片,構(gòu)建了一個(gè)可穿戴數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

4、基于Android系統(tǒng)的位置信息與心率監(jiān)測APP研究

設(shè)計(jì)基于Android系統(tǒng)的位置信息監(jiān)測與心率監(jiān)測系統(tǒng)軟件APP,采用協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)基于局域網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸、固件在線升級等功能,并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器上傳功能。通過測量局域網(wǎng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)信號強(qiáng)度,根據(jù)信號衰減模型,測得大致距離,再根據(jù)三圓相交的原理算出具體位置。通過增加多重算法加權(quán)定位,提高定位精度。在精確定位的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)自動包含當(dāng)前位置的地圖信息導(dǎo)航功能。

(四) 國、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

在室內(nèi)定位中,早期的室內(nèi)定位方法大多采用特定的硬件設(shè)備,如紅外[1]、超聲波[2]、超寬帶(UWB)、RFID 和無線傳感器等技術(shù),實(shí)現(xiàn)都依賴于部署專用的硬件設(shè)備(不僅需要預(yù)先在定位區(qū)域中部署,還需要用戶佩戴定位終端),然這種定位方法有很高的定位精度,但是它設(shè)備費(fèi)用昂貴。自 802.11 標(biāo)準(zhǔn)制定以來,線局域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Local Area NetworksWLAN)逐漸成為用戶接入互聯(lián)網(wǎng)的主流方式,WLAN 熱點(diǎn)在室內(nèi)環(huán)境得到廣泛部署。相對于基于其他介質(zhì)的定位技術(shù),基于 WLAN 室內(nèi)定位技術(shù)具有架設(shè)成本低、高速率傳輸、用戶接入方便等優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注,其主要方法是根據(jù)測量來自接入點(diǎn)(Access Point,AP)的接收功率并應(yīng)用相應(yīng)信號檢測算法進(jìn)行優(yōu)化定位,不需要額外的專用設(shè)備,這種方法稱為基于終端接收信號強(qiáng)度(Received Signal Strength,RSS)的室內(nèi)定位技術(shù)。隨著無線路由器的普及,基于WiFi的定位技術(shù)逐漸成為室內(nèi)定位技術(shù)的主流。

室內(nèi)定位技術(shù)的起步晚于室外定位,室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性使得室內(nèi)定位面臨著許多的難點(diǎn),到目前為止室內(nèi)定位技術(shù)還在不斷的發(fā)展中。2002,Roobs采用了建立指紋庫的方法,提出了一種基于WLNA的室內(nèi)定位的概率處理方法[3],在定位時(shí)使用貝葉斯函數(shù)計(jì)算出可能性最大的位置。其次在2002,attiti 等人提出采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建指紋空間的方法[4]。2005 年,Brunato 等人將基于支持向量回歸的方法引入到室內(nèi)定位中[5],取得了較高的定位精度。2007 Kushki 等人提出利用核函數(shù)對RSS進(jìn)行采樣用以構(gòu)建指紋空間的方法[6]。

在最近幾年中,室內(nèi)定位處理方法得到快速發(fā)展。2012年,Vinod Kum Jain 等人提出一種分布式的位置指紋室內(nèi)定位算法[7],算法利用輸入信號和輸出位置對指紋空間進(jìn)行劃分,每個(gè)劃分空間利用輸入信號和輸出位置來學(xué)習(xí) RSS指紋和它們之間關(guān)聯(lián)子空間中的位置。Valentin Radu等人在2013年提出基于WLNA的室內(nèi)自動監(jiān)控系統(tǒng)[8],系統(tǒng)集成了行人航跡推算和指紋定位兩種定位算法。

2014年,Philipp Muller等人提出基于參數(shù)模型的定位方法[9]來解決匹配階段的 KNN 算法和 WKNN 算法難以用到大型定位區(qū)域的問題。Mir Yasir Umair 2014 年提出了應(yīng)用在WLNA室內(nèi)的一種改進(jìn)的KNN算法[10],改進(jìn)的算法不是考慮距離目標(biāo)固定的最近鄰指紋數(shù)量,而是使用了一種自適應(yīng)算法選擇最優(yōu)的最近鄰指紋數(shù)量。2013年,信息工程大學(xué)謝代軍等人針對無線信號時(shí)變性導(dǎo)致位置指紋定位算法定位精度較低的問題,提出了一種基于分布重疊和特征加權(quán)的最大指紋相似度定位算法[11]2018年,北京郵電大學(xué)張凱楠等人針對低功耗藍(lán)牙協(xié)議和室內(nèi)條件下位置指紋定位方法[12],設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了低功耗藍(lán)牙的無線局域組網(wǎng),基于RSS位置指紋的室內(nèi)定位系統(tǒng),在卡爾曼濾波和粒子濾波的指紋定位的基礎(chǔ)上,提出了范圍指紋匹配定位法的指紋定位。

對于心率測量,隨著人們生活水平的提高,越來越多的人開始關(guān)注自身的健康,能夠監(jiān)測身體健康的可穿戴產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。目前,常見的心率按照原理分為光電透射(或光電式)測量法、諧振式(或振動式)測量法和從心電信號中提取。光電式法是基于光電容積圖(PPG)技術(shù),分為透射式和反射式。透射式一般通過血氧含量測定心率。原理上來說就是與皮膚接觸的光電式心率傳感器會發(fā)出一束光打在皮膚上,因?yàn)檠簩μ囟úㄩL的光有吸收作用,每次心臟泵血時(shí),該波長都會被大量吸收,通過測量反射/透射的光,可以確定每次心跳的波動,將波動信號通過接口發(fā)送至中央處理器計(jì)算,從而得出心率。不過該類傳感器耗電量大,同時(shí)受環(huán)境光的干擾測量結(jié)果誤差較大[13]。

目前像蘋果、小米等市面上的智能手環(huán)或手表監(jiān)測心率的功能多是采用了光電透射測量法。從Apple Watch背面可清晰的看到有LED燈,其作用就是發(fā)出光照射在皮膚上來測量反射/投射的光以計(jì)算出心率值[14]。還有一種方法是測心電信號,傳感器可以通過測量心肌收縮所產(chǎn)生的電信號的變化,以此模擬出心機(jī)收縮的模擬信號,原理和心電圖類似原理。因?yàn)槠潆娐吩O(shè)計(jì)比較復(fù)雜,而且占PCB空間比較大,易受電磁干擾,同時(shí)傳感器必須緊貼皮膚,限制了測試者的活動,所以手環(huán)通常不采用這種測量方式。

除此之外,還有振動式測量,其原理是通過精度較高的傳感器貼在測試者皮膚上捕捉因?yàn)樾奶鸬纳眢w震動,再經(jīng)過信號放大、濾波等處理就可以得到心跳,一般來說,智能坐墊或智能按摩器一類的產(chǎn)品多會采用這種測量方法,其缺點(diǎn)與測心電信號的傳感器較為類似,也是限制了測試者的活動,因此可穿戴設(shè)備中比較少見。

參考文獻(xiàn)

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[2]P. Bahl and V. Padmanabhan, “RADAR: An in-building RF-based user location and trackingsystem”,2002, pp. 775-784

[3]Roos T, Myllymaki P, Tirri H, et al. A probabilistic approach to WLAN use locationestimation[J]. International Journal of Wireless Information Networks, 2002, 9(3): 155-164

[4] Battiti R, Nhat T L, Villani A. Location-aware Computing: A Neural Network Model for Determining Location in Wireless LANs[R]. Technical Report DIT-02-0083, University of Trento, 2002.

[5] Brunato M, Battiti R. Statistical Learning Theory for Location Fingerprinting  in Wireless LANs[J]. Computer Networks. 2005, (47)825–845.

[6] Kushki A, Plataniotis K, Venetsanopoulos A. Kernel-based Positioning in  Wireless Local Area Networks[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing. 2007, 6(6)9-705.

[7] Shin B, Lee J H, Lee T, et al. Enhanced weighted K-nearest neighbor algorithm  for indoor Wi-Fi positioning systems[C]. //Computing Technology and Information  Management (ICCM), 2012 8th International Conference on.IEEE, 2012:574 - 577.

[8] Radu V, Kriara L, Marina M K. Pazl: A mobile crowdsensing based indoor Wi Fi monitoring system[C]. //Network and Service Management (CNSM), 2013 9th International Conference on.IEEE, 2013:75 - 83.

[9] Shin B, Lee J H, Lee T, et al. Enhanced weighted K-nearest neighbor algorithm  for indoor Wi-Fi positioning systems[C]. //Computing Technology and Information  Management (ICCM), 2012 8th International Conference on.IEEE, 2012:574 - 577.

[10] Müller P, Raitoharju M, Piché R, et al. A field test of parametric  WLAN-fingerprint-positioning methods[J]. Information Fusion (FUSION), 2014 17th International Conference on, 2014:1 - 8.

[11]謝代軍. 無線局域網(wǎng)室內(nèi)定位技術(shù)研究[D]. 中國人民解放軍信息工程大學(xué), 2013.

[12]張凱楠. 低功耗藍(lán)牙組網(wǎng)和定位技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué),2018.

[13] 呂智鵬,石紫茹,王君瑞.關(guān)于心率傳感器在可穿戴設(shè)備上的實(shí)際應(yīng)用[J].中國新通信,2018,20(17):232.

[14] Toshiyo Tamura, Yuka Maeda, Masaki Sekine and Masaki Yoshida, “Wearable Photoplethysmographic Sensors—Past and Present,” Electronics 2014, 3, 282-302; doi:10.3390/electronics3020282

(五) 創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色

1采用基于無線局域網(wǎng)的室內(nèi)定位技術(shù),并綜合歷史尋跡(剔除奇異采集數(shù)據(jù))、局域劃分以及加權(quán)概率處理等算法,對指紋法進(jìn)行優(yōu)化,提高定位精度。

2、該系統(tǒng)的心率檢測功能既可以檢測身體健康狀況,隨時(shí)監(jiān)測老人、小孩生理特征;又可了解自己的運(yùn)動是否有效,是否能夠達(dá)到健身的目的;還可在事件突發(fā)情況下,通過心率可以了解到受害者慌張程度以及處境危險(xiǎn)程度以便及時(shí)安排救援與疏導(dǎo)。

(六) 技術(shù)路線、擬解決的問題及預(yù)期成果

1、技術(shù)路線

該定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖和結(jié)構(gòu)框圖分別如圖1、圖2所示。將系統(tǒng)分為三個(gè)模塊:局域網(wǎng)的可穿戴室內(nèi)定位系統(tǒng)的前端模塊、終端模塊、數(shù)據(jù)傳輸處理模塊三個(gè)主要部分。

 

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1)前端模塊

前端模塊包括兩個(gè)子模塊:室內(nèi)定位模塊和心率檢測模塊。對于室內(nèi)定位,選用MTK2503為核心處理器,搭建前端系統(tǒng)。通過局域網(wǎng),經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸處理,完成與終端的信息交換。對于心率測量,使用基于光電容積脈搏波(PPG)原理的心率傳感器來實(shí)現(xiàn)對心率信息的采集。光電式法是基于光電容積圖(PPG)技術(shù),分為透射式和反射式,使用方法如圖3。透射式一般通過血氧含量測定心率。原理上來說就是與皮膚接觸的光電式心率傳感器會發(fā)出一束光打在皮膚上,因?yàn)檠簩μ囟úㄩL的光有吸收作用,每次心臟泵血時(shí),該波長都會被大量吸收,通過測量反射/透射的光,可以確定每次心跳的波動,將波動信號通過接口發(fā)送至中央處理器計(jì)算,從而得出心率。心率檢測子模塊的總體硬件框圖如圖4所示,主要由光電傳感器、信號調(diào)理模塊、電源模塊和Wi-Fi/藍(lán)牙傳輸模塊四個(gè)部分組成。其中光電傳感器負(fù)責(zé)采集人體脈搏信號,信號處理模塊負(fù)責(zé)對采集回來的信號進(jìn)行放大、濾波和整形,Wi-Fi/藍(lán)牙傳輸模塊則負(fù)責(zé)對脈沖信號進(jìn)行處理、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。

 

3 透射和反射模式的PPG

4 心率子模塊框圖

2)數(shù)據(jù)傳輸處理模塊

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理傳輸模塊主要包括對無線局域組網(wǎng)的搭建,為前端與終端搭建通信橋梁,同時(shí)分析構(gòu)建出無線電信號傳輸模型,減少多徑效應(yīng)對信號的干擾。無線局域組網(wǎng)由多個(gè)熱點(diǎn)(AP)組成。為了實(shí)現(xiàn)高定位精度,本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)定位方法主要采用構(gòu)建指紋空間的方法,結(jié)合歷史尋跡、局域劃分等方法來提高定位精度。

基于WLAN 信號指紋的定位技術(shù),可在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境所產(chǎn)生獨(dú)特的信號分布地圖。室內(nèi)的多個(gè) AP 同時(shí)向外發(fā)送無線電磁信號時(shí),于信號的多徑效應(yīng),號會根據(jù)室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生各種反射、折射、繞射和衍射等效果,從而在室內(nèi)各個(gè)位置產(chǎn)生一種獨(dú)有的信號分布規(guī)律,們把這種信號的分布規(guī)律稱為特征指紋。WLAN 信號指紋的定位技術(shù)就是要預(yù)先建立這種特征指紋的數(shù)據(jù)庫,將其與實(shí)際的室內(nèi)位置坐標(biāo)相綁定,當(dāng)我們在進(jìn)行實(shí)際的定位操作時(shí),所采集的信號一定就是數(shù)據(jù)庫中的某一條指紋特征,通過對數(shù)據(jù)庫記錄進(jìn)行匹配來查找出這條相應(yīng)的指紋特征并進(jìn)而得到與其向綁定的坐標(biāo)位置,坐標(biāo)位置就是我們所需要的定位結(jié)果。

定位技術(shù)可分為兩:信號指紋數(shù)據(jù)庫的離線建立和在線定位時(shí)的數(shù)據(jù)庫匹配。在信號指紋數(shù)據(jù)庫的離線建立階段,需要定位的室內(nèi)范圍內(nèi)均勻的選擇一系列的信號采樣點(diǎn),在每個(gè)采樣點(diǎn)采集可以感知到的多個(gè) AP BSSID 和信號強(qiáng)度 RSSI 樣本值,在服務(wù)器后臺進(jìn)行濾波等處理后與采樣點(diǎn)的位置坐標(biāo)一起存入到信號指紋數(shù)據(jù)庫。在在線定位時(shí)的數(shù)據(jù)庫匹配階段,用戶的移動終端會采集用戶所在位置的所有可感知 AP 的信號強(qiáng)度,由于室內(nèi)的信號指紋特征一般是固定不變的,所以這些采集到的信息肯定可以和指紋數(shù)據(jù)庫的某條數(shù)據(jù)相匹配,我們將采集到的數(shù)據(jù)上傳到后臺服務(wù)器。定位服務(wù)器接收數(shù)據(jù)以后,進(jìn)行歷史尋跡加權(quán)概率處理,根據(jù)歷史數(shù)據(jù)并結(jié)合當(dāng)前狀態(tài)來預(yù)測下一個(gè)狀態(tài)可能發(fā)生的信號數(shù)據(jù)值,將處理結(jié)果與指紋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配,找出一條或者多條符合其指紋特征記錄,通過相應(yīng)的篩選算法來找出最優(yōu)的估計(jì)記錄,這條記錄所綁定的坐標(biāo)位置就是我們最終的定位結(jié)果。

3)終端模塊

終端模塊主體是一個(gè)APP,采用JAVA語言設(shè)計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)位置信息的計(jì)算,得到手機(jī)端的位置信息可穿戴設(shè)備端的位置信息,心率信息等,其工作流程如圖5所示。

 

5 手機(jī)APP工作流程圖

APP主要功能是顯示當(dāng)前使用者所在建筑物內(nèi)部的地圖以及計(jì)算手機(jī)的位置信息可穿戴設(shè)備的位置信息。將接收到的由可穿戴設(shè)備發(fā)送到局域網(wǎng)的信號強(qiáng)度信息后,經(jīng)過算法、信號衰減模型,測得可穿戴設(shè)備的具體位置。同理再通過測量自身與局域網(wǎng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度,計(jì)算出自己的位置,最后再由三圓相交原理算出精確的位置。

2、擬解決的問題

1)定位方式選擇:在室內(nèi)大環(huán)境下我們需保證定位精度小于2。然而在室內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境中,由于多徑傳播即移動終端周圍各種物體和各種反射以及小尺度衰落的影響,采用指紋定位法時(shí),數(shù)據(jù)的采樣值有較大的偏差,從而導(dǎo)致定位精度不足。

2)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前位置:由于定位需要進(jìn)行大量計(jì)算,從而不能保證位置的實(shí)時(shí)顯示另外,數(shù)據(jù)的傳輸也會存在延時(shí),從而影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。因此,如何通過優(yōu)化算法,減小運(yùn)算量,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?,降低誤差率,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示的關(guān)鍵。

3、預(yù)期成果

1)完成可穿戴室內(nèi)定位系統(tǒng)的研制,實(shí)現(xiàn)以下性能指標(biāo):定位精度小于2米,心率實(shí)時(shí)測量誤差小于10%無線局域組網(wǎng)覆蓋范圍大于100米;數(shù)據(jù)傳輸速度大于100kbit/s;數(shù)據(jù)傳輸誤碼率小于10-5;在安卓手機(jī)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。

2)申請國家專利1項(xiàng)。

3)發(fā)表科研論文1篇。

(七) 項(xiàng)目研究進(jìn)度安排

20195-20205

1)收集資料,制定方案,完成團(tuán)隊(duì)分工;項(xiàng)目的前期工作需要收集大量的資料,通過知網(wǎng)、書籍、外文等資料對本項(xiàng)目的發(fā)展趨勢、現(xiàn)階段研究問題進(jìn)行深入學(xué)習(xí),為后續(xù)工作的順利進(jìn)行做準(zhǔn)備。

2)完成模塊原理圖繪制,并采購電子元器件完成電路系統(tǒng)的搭建。提出數(shù)據(jù)傳輸與終端APP的系統(tǒng)方案。

3)完成無線局域組網(wǎng)設(shè)備的組建,穿戴設(shè)備前端電路搭建以及終端服務(wù)器搭建,并完成各部分電路的焊接和調(diào)試。申請國家專利1項(xiàng)。

20206-20215

1)完成APP軟件的編寫和測試,能夠在APP上顯示實(shí)時(shí)手機(jī)的位置,并且能夠顯示可穿戴設(shè)備的位置。在手機(jī)上能夠顯示可穿戴設(shè)備的參數(shù)包括位置,心率等信息。

2)完成整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化,測試定位精度是否達(dá)到要求

3)總結(jié)項(xiàng)目成果,撰寫科研論文和總結(jié)報(bào)告。對比現(xiàn)階段室內(nèi)定位系統(tǒng)產(chǎn)品,詳細(xì)敘述出本項(xiàng)目在創(chuàng)作中實(shí)現(xiàn)的性能指標(biāo)以及優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)市場需求,制定相應(yīng)的后續(xù)改進(jìn)計(jì)劃。

(八) 已有基礎(chǔ)

1、與本項(xiàng)目有關(guān)的研究積累和已取得的成績

1)組內(nèi)成員均接受過專業(yè)技能培訓(xùn),完成花樣流水燈、按鍵電子琴、基于AD603的程控放大器、單/雙電源高增益帶寬放大器、正負(fù)5V線性穩(wěn)壓源設(shè)計(jì),參加過各類儀器儀表設(shè)計(jì)等項(xiàng)目。

2)對PCB板焊接、PCB板制作以及常用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備如示波器、掃頻儀、信號源等使用十分熟悉。且長期在實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí),有過一些芯片的使用經(jīng)驗(yàn)。比較熟練掌握常用軟件如Keil、Altium DesignerMultisim、FLYMCU、Proteus等。

2、已具備的條件,尚缺少的條件及解決方法

1)團(tuán)隊(duì)內(nèi)成員已基本熟悉掌握了項(xiàng)目的工作流程,對項(xiàng)目的開發(fā)有著一定的經(jīng)驗(yàn)。團(tuán)隊(duì)內(nèi)成員已查閱了大量的文獻(xiàn)資料,對室內(nèi)定位系統(tǒng)的發(fā)展背景以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀有充分的了解,為項(xiàng)目研究工作的正常進(jìn)行提供了有力保障。

2)具有一定的科技制作經(jīng)驗(yàn),有著扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)能力豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。團(tuán)隊(duì)成員具備創(chuàng)新精神和科研精神,經(jīng)過努力,我們相信會在此項(xiàng)目上取得良好的成績。

3)采用JAVA開發(fā)APP軟件存在一定的困難,需要花費(fèi)一定的時(shí)間來學(xué)習(xí)JAVA語言。

 

三、 經(jīng)費(fèi)預(yù)算

開支科目                    

預(yù)算經(jīng)費(fèi)

(元)

主要用途       

階段下達(dá)經(jīng)費(fèi)計(jì)劃(元)

前半階段

后半階段

預(yù)算經(jīng)費(fèi)總額

20000

 

11500

8500

1. 業(yè)務(wù)費(fèi)

 

 

 

 

1)計(jì)算、分析、測試費(fèi)

 

 

 

 

2)能源動力費(fèi)

 

 

 

 

3)會議、差旅費(fèi)

3000

參加學(xué)術(shù)會議的注冊費(fèi)、差旅費(fèi)以及調(diào)研差旅等

2000

1000

4)文獻(xiàn)檢索費(fèi)

5500

專利申請費(fèi)與年費(fèi)、文獻(xiàn)檢索費(fèi)等

4500

1000

5)論文出版費(fèi)

2500

發(fā)表學(xué)術(shù)論文版面費(fèi)

0

2500

2. 儀器設(shè)備購置費(fèi)

 

 

 

 

3. 實(shí)驗(yàn)裝置試制費(fèi)

 

 

 

 

4. 材料費(fèi)

9000

電腦升級,穿戴設(shè)備開發(fā)平臺,電子元器件等 

5000

4000

學(xué)校批準(zhǔn)經(jīng)費(fèi)

20000

 

 

 

四、 指導(dǎo)教師意見

 

 

 

 

                                           

 

 

 

 

導(dǎo)師(簽章):

年  月   日

五、 院系大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃專家組意見

 

 

 

 

 

                                     

專家組組長(簽章):

年  月   日

六、 學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃專家組意見

 

 

 

 

 

負(fù)責(zé)人(簽章):

年  月   日

七、 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃領(lǐng)導(dǎo)小組審批意見

 

 

 

                                    

 

負(fù)責(zé)人(簽章):

年  月   日

 

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